CS216975B1 - Korekční systém - Google Patents

Abstract

Vynález se týká provedení korekčního systému pro kompenzaci složek magnetické indukce porušujících homogenitu stejnosměrného magnetického pole magnetu spektrometru NMR. Podstatou vynálezu je, že v rovinách respektive v plochách jednotlivých vinutí jsou přídavné kovové fólie vzájemně mezi sebou a i od vinutí izolované. Korekční systém je určen výlučně pro měřicí magnety spektrometrů NMR.

Description

(⁵⁴) Korekční systém

Vynález se týká provedení korekčního systému pro kompenzaci složek magnetické indukce porušujících homogenitu stejnosměrného magnetického pole magnetu spektrometru NMR.

Podstatou vynálezu je, že v rovinách respektive v plochách jednotlivých vinutí jsou přídavné kovové fólie vzájemně mezi sebou a i od vinutí izolované.

Korekční systém je určen výlučně pro měřicí magnety spektrometrů NMR.

Vynález se týká provedení korekčního systému pro kompenzaci složek magnetické indukce, porušujících homogenitu stejnosměrného magnetického pole magnetu spektrometru nukleární magnetioké rezonance.

Spektrometry nukleární magnetické rezonanoe, zejména spektrometry s velkým rozlišením, vyžadují velmi homogenní stejnosměrné polarizační magnetioké pole. Efektivní homogenita se posuzuje podle tvaru spektrálních čar a poměru jejich šířky k velikosti magnetioké indukce. Uvedený poměr má u dobrých spektrometrů hodnotu řádově 1θθ až 1θ“^θ při polích o magnetické indukci cca 1 až 14 T. Těchto extrémních hodnot se dosahuje jednak velmi pečlivou konstrukcí a výrobou magnetu, jednak použitím speciálního korekčního systému a konečně rotací měřeného vzorku. Návrh korekčního systému vychází z rozkladu stejnosměného základního pole magnetu v řadu ortogonálních složek# složka nultého řádu je vlastní polarizační pole, složky ostatních řádů představující odchylky od homogenity. Při návrhu se hledá pro jednotlivé složky prvního a nejzávažnějších vyšších řádů takové uspořádání přídavných vodičů - korekční vinutí, které v ideálním případě vytváří přídavné kompenzační magnetioké pole, tvarem odpovídajícím vybrané ortogonální složce. Velikost a polaritu tohoto pole lze nastavit velikostí a směrem proudu ve vinutí tak, aby vykompenzovala zvolená složka nehomogenity. Skutečné vinutí však mimo požadované složky vytváří i složky nežádané - parazitní, jednotlivé korekce proto nejsou vzájemně zcela nezávislé. Korekčních vinutí je tolik, kolik poruchových složek má být vykompenzováno# obvykle jich bývá 5 až 12. Všechna použitá korekční vinutí vytvářejí dohromady korekční systém, který je realizován tak, aby nepřekážel měřicí hlavici spektrometru. Bývá proto u magnetů s feromagnetickým obvodem rozdělen do dvou zrcadlově identických sekoí, které mají tvar plochých desek umístěných v mezeře magnetu symetricky vzhledem k hlavici spektrometru a to buJ na čelech pólových nástavců magnetu nebo na hlavici, nebo jsou obě sekce zabudovány přímo do ploohýoh víček hlavice. U solenoidových magnetů jsou jednotlivá vinutí korekčního systému uložena na válcovém plášti, který má společnou osu s osou solenoidu.

*

Korekční systém má být přiměřeně citlivý a jednotlivé korekce vzájemně nezávislé - ortogonální. Z konstrukčního hlediska by měly být desky či válcový plášť korekčního systému co nejtenší, použité materiály a jejich prostorové rozložení by měly minimálně ovlivňovat homogenitu pole, teplo vznikající v systému nebo přiváděné do systému z hlavice spektrometru by mělo co nejméně ovlivňovat magnet. Výroba korekčního systému musí být přesná, reprodukovatelná a nesmí být pracná.

Známé způsoby realizace korekčních systémů se s uvedenými požadavky v menší či větší míře vyrovnávají. Vinutí jednotlivých korekcí jsou vyráběna jako plochá a samonosná ve speciálních přípravcích tak, aby jejich tloušťka byla minimální a nepřesáhla příliš rozměr použitého vodiče, kterým je obvykle měděný smaltovaný drát o,průměru cca 0,1 mm. Každá změna rozměru vinutí vyžaduje konstrukci a realizaci nového přípravku, tvar vinutí nemůže být příliš složitý, problematická je i výroba části vinutí s jedním nebo dvěma vodiči. Vinutí pro X-· Υ-» XZ- a YZ- složky magnetického pole lze navrhnout s jediným plochým aktivním vodičem o šířoe srovnatelné s šířkou pracovní mezery magnetu. Takto provedená vinutí vytvářejí při vhodných rozměrech relativně malé parazitní složky, avšak jejich citlivost je velmi nízká a proto potřebují relativně velké napájecí proudy. V silném magnetickém poli, kolmém na směr proudu v širokém plochém vodiči se však porušuje rovnoměrnost proudové hustoty, magnetický střed korekce se posouvá vzhledem ke geometriokému středu korekčního systému, porušuje se jeho symetrie a roste obsah parazitních složek pole. Velmi přesná i složitá vinutí lze vytvářet technologií plošných spojů z mědí plátovanýoh tenkých desek odleptáváním měděné fólie na věech plochách nepoužitých pro vodiče; citlivost těchto vinutí bývá obvykle o něco horší než u vinutí drátových, je však asi o řád lepší než u vinutí s jedním aktivním širokým vodičem. Výhodou je i to, že vzniklé vinutí je pevně spojeno s izolační podložkou. Nejčastěji se používají vinutí drátová, firma Bruker použila u některých spektrometrů kombinaci drátových vinutí a vinutí s jediným širokým vodičem, možnost realizace vinutí technologií plochých spojů byla v literatuře popsána. Z vyrobených vinutí pro jednotlivé korekce se sestavuje korekční systém a to buž lepením nebo ukládáním do drážek, vyfrézovaných v tenké kovové či izolační desce. Při lepení se mezi jednotlivá vinutí.vkládá tenká izolační fólie a sestavený systém se v lisu vytvrzuje; přitom dochází často k deformaci tvaru a vzájemnému geometrickému posunutí jednotlivých vinutí. Uvedený nedostatek odpadá při lepení či laminování jednotlivých vinutí, vyrobených technologií plošných spojů. Vkládání plochých vinutí do vyfrézovaných drážek zaručuje dostatečnou přesnost výroby korekčních systémů a je nejčastěji používáno. Tloušťka desek u lepených či do drážek vkládaných korekčních systémů nebývá menší než cca 2,5 mm. To omezuje zhruba o 15 až 25 % šířku pracovní mezery mezi pólovými nástavci magnetu a tím i prostor, který lze použít pro konstrukci hlavice. Zabudování korekčního systému do víček hlavice, respektive jejího krytu umožňuje poněkud zvětšit její vnitřní šířku. Vzorek v hlavici spektrometru se občas měří při různých teplotách v rozsahu -150 °C až +200 °C, často bývá ozařován téměř kontinuálním vysokofrekvenčním výkonem 50 I i více. Přestože se teplo z hlavice různými prostředky odvádí, není teplota na jejím povrchu konstantní. Korekční systém, vytvořený lepením jedlotlivýoh vanutí na izolační podložky nebo slaminováním izolačních desek s vinutím vytvořeným technologií plošných spojů nebo s vinutím vkládaným do drážek v izolační desce, je dostatečnou překážkou pro tepelný tok směřující z měřicí hlavice k pólovým nástavcům magnetu. U korekčních systémů, vytvořených vkládáním vinutí do drážkovaných kovových desek se tepelný tok rozvádí tepelně dobře vodivým materiálem, takže teplota na povrchu korekčního systému je přibližně konstantní. Teplo však vzniká i ve vinutích korekčního systému; u kovových desek je opět rozváděno, u izolačních desek však mohou vznikat lokální teplotní gradienty, které mohou částečně ovlivnit konfiguraci pólových nástavců magnetu a způsobit změnu homogenity magnetického pole.

Uvedené nedostatky odstraňuje korekční systém pro kompenzaci složek nehomogenity stejnosměrného magnetického pole magnetu spektrometru nukleární magnetické rezonance, sestaveného z jednotlivých vzájemně izolovanýoh vinutí, jehož podstatou je, že v rovinách, respektive plochách jednotlivých vinutí či mezi nimi jsou přídavné kovová fólie, vzájemné mezi sebou i od vinutí izolovaná.

Základní výhodou předloženého provedeni korekčního systému je to, že rovnoměrnost teploty na krajních plochách korekčního systému je srovnatelná s rovnoměrností teplot u systémů s drážkovanou.kovovou podložkou, přičemž však mezi krajními plochami může být teplotní rozdíl obdobně jako u systémů s drážkovanou izolační podložkou či u systémů lepených Navržené provedení korekčního systému lze vyrobit relativné snadno, přesnš a reprodukovatělně technologií plošných spojů, přičemž jeho mechanické vlastnosti jej dovolují použít i jako konstrukční prvek, například pro víčka či kryt hlavice spektrometru.

Vynález blíže objasní výkresy. Na obr, 1 je znázorněna část uspořádání sekoe korekčního systému pro magnety s feromagnetickým obvodem, na obr, 2 je jedna vrstva korekčního systému pro solenoidové magnety, Část korekčního systému na obr, 1 obsahuje dvě oddělená korekční vinutí i a £ pro kompenzaci dvou různých složek magnetické lndukoe. V rovině prvního vinutí i jsou první přídavné kovové fólie 2 a obdobně druhé přídavné kovové fólie £ jsou v rovině druhého vinutí £. Obojí fólie 2 a 2 jsou tvarově přizpůsobeny tvarům vinutí 1 a £. Mezi těmito a dalšími, v podstatě vodivými rovinami jsou izolační fólie J, která izolují mezi sebou jak vinutí 1 a £, tak i přídavné kovové fólie 2 a Středem vinutí I a £ proohází osa o, která je osou korekčního systému. Na obr. 2 je přídavná fólie v ploše korekfiního vinutí 11 rozdělena na proužky 12.

V praktickém provedení je jedna sekce korekčního systému tvořena například deseti vrstvami vodičů doplněných kovovými, s vodiči nespojenými fóliemi; mezi jednotlivými vrstvami s vodiči jsou izolační fólie obdobně jako Izolační fólie 2 *&· obr. 1. Všechny vrstvy s vodiči i Izolační fólie jsou spojeny v kompaktní celek například lepením či laminováním. Vnější plochy sekoe korekčního systému jsou opatřeny Izolačním lakem.

Korekční systém by bylo možné vyrobit z jednotlivých drátových vinutí uohycenýoh na izolační podložce tím, že by se mezi jednotlivé vrstvy vložily kovová fólie opatřené izolační vrstvou nebo kovové fólie vhodného tvaru by byly uchyceny obdobně jako vinutí na uvedené podložce. Oba způsoby jsou však značně pracné, nákladné, nepřesné a málo reprodukovatelná; rovněž tloušťka takto vyrobených systémů bude značná. Podstatně efektivnější, ryohlejší, méně pracná, přesnější a reprodukovatelnější je výroba pomooí technologie plošných spojů z tenkých, mědí oboustranně plátovanýoh sklolaminátovýoh desek; tloušťka sekoe či stěny korekčního systému může být ooa 1 až 1,5 mm pro korekční systém o 10 až 12 korekcích. Technologie plošných spojů umožňuÍje přesně realizovat i složité tvary korekčních vinutí, dovoluje používat podle potřeby různou šířku vodiče, zapojovat vodiče paralelně 1 sériově, atd. Oproti teohnologii běžně použité při výrobě víoevrstvýoh plošných spojů se však neodleptávají plochy nepoužité jako elektrické vodiče vinutí a přívodů. Tyto ploohy, oddělené od elektrioky aktivních vodičů pouze vyleptanou dělící čarou, vytvá216975 řejíoí strukturu, která v rovinách či plochách vinutí vede teplo relativně dobře a špatně ve směru na nš kolmém. Např. tepelný tok dopadajíoí na rovinu prvního vinutí 1 shora, viz obr. 1, je rozváděn prvními přídavnými fóliemi 2 transverzálně vzhledem k ose £. Tepelný tok, který projde izolační fólii 2 ůo roviny druhého vinutí £, je opět transverzálně rozváděn druhými přídavnými fóliemi 2» ®td. i v dalších na obr. 1 nenakreslenýoh vrstvách. Tepelný tok, dopadající na korekční systém, je převážně určen ztrátami vysokofrekvenčních obvodů v měřicí hlavici spektrometruj to platí zejména v případě, kdy korekční systém tvoří současně víčka nebo kryt měřicí hlavice. Další součástí tepelného toku v korekčním systému jsou toky dané požadavkem nastavení teploty vzorku v hlavioi v rozmezí cca -150 °C až +200 °C a teplo dané Joule-ovými ztrátami při průtoku proudů v jednotlivých korekcích. Střídáni jednotlivých vrstev o různé tepelné vodivosti přispívá i k rovnoměrnějšímu rozdělení povrchových teplot na krajních plochách korekčního systému, přičemž mezi středními teplotami těchto ploch mohou být rozdíly i několik desítek °C. Rovnoměrné rozdělení teplot u vnějších ploch, orientovaných k magnetu, je nutné proto, aby eventuální teplotní rozdíly nepůsobily lokální pnutí v magnetu a tím neovlivňovaly jeho homogenitu. Plošný tvar vodičů a zlepšený odvod tepla, způsovený přídavnými kovovými fóliemi v jednotlivých vrstvách, dovolují zvětšit proudovou hustotu oproti jiným provedením korekčního systému. Přídavné kovové fólie je vhodné spojit na okrajích korekčního systému s většími, tepelně dobře vodivými konstrukčními útvary jako je například jho magnetu, držák korekci, měřicí hlavice a podobně. Vnější plochy korekcí lze upravit pro dobrý odvod tepla například vhodným nátěrem, std.

Další výhodou popisovaného provedení korekčního systému je to, že vodiče vinutí a přídavné fólie, vytvořené z mědi plátovaných desek představují z magnetického hlediska zhruba homogenní vrstvy o jisté susoeptibilitě. Rovněž Izolační fólie jsou homogenní vrstvy, avšak obecně o jiné susoeptibilitě. Tyto vrstvy v podstatě neovlivňují homogenitu pole v místě vzorku, protože jsou vzhledem k němu značně rozlehlé.

Slepené respektive slaminované korekční systémy jsou samy o sobě kompaktní a dostatečně pevné, takže mohou být použity jako konstrukční prvky například jako víčka a kryty měřicí hlavice. Pro kryt tvaru válcového pláště, který lze současně použít i jako kostru pro vinutí axiálních korekcí u solenoidových magnetů, je výhodné rozdělit přídavné fólie na proužky 12 například o šířce vodičů korekčního vinutí 11. viz obr. 2. Tím se zlepší ohebnost jednotlivých plátovaných desek a usnadní se jejich skládání před laminováním. Teplo je však v tomto případě rozváděno převážně ve směru proužkůj je však možné volit různý směr proužků ve vrstvách pro jednotlivé korekce. Pevnost vytvořeného válcového pláště po laminování je prakticky stejná jako u pláště s nedělenými přídavnými fóliemi*

Claims (1)

1. PŘEDMĚT VYNÁLEZU

   Korekční systém pro kompenzaci složek nehomogenity stejnosměrného magnetického pole magnetu spektrometru nukleární magnetické rezonance sestávající z jednotlivých vzájemně izolovaných vinutí, vyznačený tím, že v rovinách popřípadě v plochách jednotlivých korekČ nich vinutí (1 a 4) jsou uspořádány přídavné kovové fólie(2 a 5) izolované vzájemně mezi sehou od konkrétních vinutí (1 a 4)·